JP2023128141A - 高圧タンク製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】口金上に繊維がかかる部分において、口金と内層繊維との間に空隙が発生することを抑制できる高圧タンク製造装置を提供する。【解決手段】ライナと、口金と、を有し、ライナの外側に熱硬化性樹脂を含浸して熱硬化した繊維強化樹脂層が配置される高圧タンクの製造に用いる高圧タンク製造装置であって、ライナの外側に熱硬化前の繊維強化樹脂層が配置された高圧タンクの中間生成品であるタンクを、口金を介して支持するシャフトと、タンクの熱硬化時において、シャフトを回転させるための回転機構部と、タンクの熱硬化時において、シャフトに装着されたタンクを加熱するための加熱装置と、を備える。回転機構部によるタンクの回転時において、シャフトは、水平方向に対して重力上下方向に傾いて配置されている。【選択図】図１

Description

本開示は、高圧タンク製造装置に関する。

例えば、特許文献１には、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を巻き付けたタンクを、シャフトに装着し、加熱して熱硬化させる高圧タンクの製造方法について記載されている。タンクは、中空円筒状をなすシリンダ部と、シリンダ部の両端に続く２つの半球面形状のドーム部とを有する。タンクの内部には、高圧ガス等の流体を密封するための内部空間が形成される。ドーム部の頂点には口金が形成される。

特開２０１１－２３０３９８号公報

しかし、上記特許文献１に記載される製造方法では、全長／直径で示されるアスペクト比が小さいタンクを製造する場合に、ＣＦＲＰ層の口金上に繊維がかかる部分において、口金と内層繊維との間に空隙が発生するという問題があった。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、高圧タンク製造装置が提供される。この高圧タンク製造装置は、ライナと、口金と、を有し、前記ライナの外側に熱硬化性樹脂を含浸して熱硬化した繊維強化樹脂層が配置される高圧タンクの製造に用いる高圧タンク製造装置であって、前記ライナの外側に熱硬化前の前記繊維強化樹脂層が配置された前記高圧タンクの中間生成品であるタンクを、前記口金を介して支持するシャフトと、前記タンクの熱硬化時において、前記シャフトを回転させるための回転機構部と、前記タンクの熱硬化時において、前記シャフトに装着された前記タンクを加熱するための加熱装置と、を備え、前記回転機構部による前記タンクの回転時において、前記シャフトは、水平方向に対して重力上下方向に傾いて配置されている。
この形態の高圧タンク製造装置によれば、口金を介してタンクを支持した状態で回転するシャフトは、水平方向に対して重力上下方向に傾いて配置されている。このため、口金付近において、内側から外側への面圧を作用させることができ、口金上にかかる熱硬化前の繊維強化樹脂層を形成する繊維を引き伸ばすことができる。これにより、繊維に含まれた樹脂の流動性が向上し、樹脂が口金付近に十分に拡散されるため、口金と、繊維との間に空隙が発生することを抑制できる。

本開示の第１実施形態における、高圧タンク製造装置の全体を模式的に示す側面図である。 シャフトに装着されたタンクを模式的に示す断面図である。 熱硬化時の高圧タンクを示す平面図である。 口金表面に位置するタンク最内層のヘリカル繊維の歪計測結果をグラフに示す図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．高圧タンク１の構成：
以下、本開示の第１実施形態について、図１～図４を参照して説明する。図１は、本開示の第１実施形態における、高圧タンク製造装置１００の全体を模式的に示す側面図である。図２は、熱硬化の際に、高圧タンク製造装置１００が有するシャフト１１２に装着されたタンク１を模式的に示す断面図であり、シャフト１１２の中心軸を含む垂直平面で切った断面図である。高圧タンク製造装置１００は、ライナ２４の外側に熱硬化性樹脂を含浸して熱硬化した繊維強化樹脂層が配置される高圧タンク１の製造に用いる製造装置である。本実施形態の高圧タンク１は、例えば、水素ガス等の気体を７０～８０ＭＰａ程度の高圧で貯蔵するために使用される。

まず、本開示の第１実施形態において、製造される高圧タンク１の概略構成について説明する。図２に示すように、高圧タンク１は、中空円筒状をなすシリンダ部２１と、シリンダ部２１の両側に続く２つのドーム部２２，２３とに区分可能である。ドーム部２２，２３は、基部をシリンダ部２１の直径と同じ円形状とし、基部から側方へドーム状に膨れ上がった、略半球面形状の一部の形状をなしている。

高圧タンク１は、ライナ２４と、補強層２５と、バルブ側口金２６と、エンド側口金２７（図１参照）と、を備える。ライナ２４は、流体を密封するための内部空間３０を内部に形成する。ライナ２４は、例えば、高圧タンク１の長手方向の中央で２分割した形状の２つのライナパーツを接合することによって形成されている。ライナ２４は、例えば、ナイロン系樹脂（ポリアミド系樹脂）やポリエチレン系樹脂等の合成樹脂、あるいは、アルミニウム合金等の金属によって形成することができ、本実施形態ではナイロンによって形成している。

補強層２５は、ライナ２４の外周面を被覆する。補強層２５は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって形成される繊維強化樹脂層であり、ライナ２４の外表面全体を覆っている。補強層２５の樹脂としては、エポキシ樹脂や、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。また、補強層２５を構成する繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、およびアラミド繊維等が挙げられる。補強層２５は、複数種類（例えば、ガラス繊維とカーボン繊維）の繊維を用いたＦＷ法による巻回を順次行うことで、異なる繊維を備える層を積層させて形成することができる。本実施形態では、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から成る層とガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）から成る層とを順次積層して、補強層２５を形成している。

バルブ側口金２６は、ライナ２４の一端側（図１における左側）のドーム部２２の頂点の位置に配置されている。バルブ側口金２６は、高圧タンク１の内部空間３０と連通する貫通孔２８を有する。エンド側口金２７は、ライナ２４の他端側（図１における右側）のドーム部２３の頂点の位置に配置されている。エンド側口金２７は、有底孔２９を有する。これらバルブ側口金２６およびエンド側口金２７は、例えば、ライナパーツの成形時に、インサート成形によってライナパーツに接合される。

なお、最終完成品のタンク１には、図示しないプロテクタが装着される。プロテクタは、ライナ２４の両端のドーム部２２，２３において補強層２５の上に配置される。プロテクタは、外部から受ける衝撃と、高圧タンク１の内圧による応力から高圧タンク１を保護する保護部材である。プロテクタは、例えばドーム部２２，２３の形状に沿うように、略半球形状に形成されて、補強層２５上に固定される。プロテクタは、例えば、弾性を有する発泡ポリウレタン等の樹脂によって形成することができる。上記高圧タンク１のサイズは、例えば、直径Ｄ＝４００ｍｍ、全長Ｌ１＝７００ｍｍ程度である。

Ａ２．高圧タンク１の製造工程：
次に、高圧タンク１の製造工程における一連の流れについて説明する。高圧タンク１の製造工程では、まず、樹脂製容器をライナ２４として用意する。本実施形態では、樹脂容器として、ナイロン系樹脂からなる樹脂製容器を用いるものとした。樹脂容器として、他の樹脂からなる樹脂容器を用いるものとしてもよい。

次に、ライナ２４、バルブ側口金２６およびエンド側口金２７の外周部に、補強層２５を形成する。本実施例では、この補強層形成工程として、ライナ２４の外周部に、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」と呼ぶ）によって、熱硬化性樹脂としてのエポキシ樹脂を含浸したカーボン繊維を繰り返し巻き付けることにより、カーボン繊維層を形成する。典型的なＦＷ法では、ライナ２４のシリンダ部２１の外周を被覆するためのフープ巻きと、ドーム部２２，２３の外周を被覆するためのヘリカル巻きとが利用される。また、この巻き付けの際、タンク１の内部空間３０には、バルブ側口金２６からエンド側口金２７へ亘って、センターシャフト３１（図１参照）が挿入されている。

その後、カーボン繊維層外周部に、さらに、ＦＷ法によって、熱硬化性樹脂としてのエポキシ樹脂を含浸したガラス繊維を繰り返し巻き付けることにより、ガラス繊維層をカーボン繊維層の上に重ねて形成する。こうして重なったカーボン繊維層とガラス繊維層が、ライナ外周表面の補強層２５となり、樹脂層形成済みの中間生成品タンクが得られる。ガラス繊維層はカーボン繊維層よりも耐衝撃性が強いため、高圧水素タンクの機械的強度を高くすることができる。補強層２５の形成に続いては、熱硬化を行う。

Ａ３．熱硬化工程について：
［高圧タンク製造装置１００（熱硬化炉）の全体構成］
熱硬化工程では、図１に示す高圧タンク製造装置１００を用いる。図１に示す高圧タンク製造装置１００は、熱硬化炉である。この高圧タンク製造装置１００は、架台１１０と、タンク１が装着される金属製のシャフト１１２と、放熱ヒーター１１４と、回転機構部１１８と、を備えている。なお、この熱硬化工程において、シャフト１１２に装着されるのは、熱硬化前の中間生成品としてのタンクであるが、説明の便宜状上、以下、単に「タンク１」と記載する。シャフト１１２は、架台１１０に回転可能に取り付けられている。シャフト１１２の軸方向長さ（＝両端の支点Ｓ１、Ｓ２間の距離）Ｌ２（図２参照）は、タンクの全長Ｌ１に対して十分に長く、例えば、タンクの全長Ｌ１の３倍～４倍程度であり、具体的には３０００ｍｍ程度である。

放熱ヒーター１１４は、タンク１を装着済みのシャフト１１２の炉内上方の幅方向に亘って設けられる長尺状のヒーターである。この放熱ヒーター１１４により、高圧タンク製造装置１００は、タンク１をタンク軸方向において均等に加熱する。放熱ヒーター１１４は、「加熱装置」に相当する。また、シャフト１１２の端部（図１における右端）は、チャック１１６を経て回転機構部１１８に連結されている。

図１および図２に示す上記の高圧タンク製造装置１００を用いた熱硬化工程では、高圧タンク製造装置１００への搬入に先だち、樹脂層形成済みの中間生成品としてのタンク１に、シャフト１１２を装着する。シャフト１１２は、タンク１の両端の口金２６，２７に挿入される。より詳しくは、シャフト１１２は、バルブ側口金２６の貫通孔２８およびエンド側口金２７の有底孔２９から挿入され、タンク１の両端からシャフト１１２が突出した状態で、架台１１０に水平に取り付けられる。こうしてタンク１を、口金２６，２７を介してシャフト１１２に装着した後、高圧タンク製造装置１００は、タンク１を熱硬化させる。

この熱硬化工程では、回転機構部１１８によりタンク１をシャフト１１２ごと定速で回転させ、その回転を熱硬化工程の間に亘って維持する。タンク１の回転と同時に、或いは、定速回転となると、高圧タンク製造装置１００は、補強層２５の形成に用いた上記の熱硬化樹脂（例えば、エポキシ樹脂）の熱硬化に適う温度に炉内温度が維持されるよう、放熱ヒーター１１４を加熱制御する。これにより、タンク１では、ライナ２４の外周に形成された補強層２５における熱硬化樹脂の熱硬化が始まる。

［作用］
次に、熱硬化工程における作用について説明する。図１，図２に示すように、熱硬化工程では、タンク１は、シャフト１１２の軸方向の略中間部分に配置されている。このため、タンク１の自重により、実際には、シャフト１１２は下方へ撓んでいる。つまり、シャフト１１２に装着されたタンク１の両端の口金２６，２７の高さ位置は、タンク１の重力を受けてシャフト１１２が支持される両端の支点Ｓ１，Ｓ２よりも、重力方向下側へ下がった位置となっている。具体的には、タンク１の両端はシャフト１１２の支点Ｓ１，Ｓ２よりも、例えば、２００ｍｍ程度下がっている。換言すると、シャフト１１２は、水平方向に対して重力上下方向に傾いている。タンク１の支点Ｓ１，Ｓ２から下がった距離を撓み量とすると、撓み量は、例えば、シャフト１１２の全長Ｌ２に対して５％以上が好ましい。

タンク回転時において、支点Ｓ１，Ｓ２から離れた口金２６，２７には、シャフト１１２の回転による曲げモーメントＭが作用し、タンク１においてシャフト１１２よりも下側の部分においては、図２において矢印Ａ１に示すように、タンク１の内側から外側への面圧が作用する。この面圧により、口金２６，２７の表面に位置するタンク内層のヘリカル繊維Ｆ（以下、単に「内層繊維Ｆ」ともいう）は引き伸ばされる。熱硬化中は、シャフト１１２およびタンク１が回転しているため、内層繊維Ｆは、シャフト１１２より下側にきたときには引き伸ばされ、上側にきたときは伸ばされない。この現象が内層繊維Ｆに繰り返し作用する。

シャフト１１２が水平に維持された図示しない比較形態の製造装置（以下、単に「比較形態の製造装置」ともいう）により熱硬化させた際には、硬化後のタンク１には、口金２６，２７と内層繊維Ｆとの間に空隙が生じるという問題が生じていた。これは、本願発明者の検討により、タンク１を支持するシャフト１１２が水平状に構成されていることで、口金部分に十分な面圧が作用せずに、繊維が引き伸ばされないことが要因であると分かった。

本願発明者は、シャフト１１２を撓ませた状態で回転させることで、口金２６，２７の表面に位置する内層繊維Ｆにどのように内圧が作用するかを考察するため、口金２６，２７の表面に位置するタンク最内層のヘリカル繊維Ｆ上における、３点（第１点Ｐ１、第２点Ｐ２、第３点Ｐ３）をプロットし、回転時の歪みを計測した。図３は、熱硬化時の高圧タンク１を示す平面図であり、エンド側口金２７側から見た図である。図４は、タンク回転時における、口金２６，２７の表面に位置するタンク最内層のヘリカル繊維Ｆの歪計測結果をグラフに示す図である。図３に示す状態を回転角度０°とし、タンク１は、図３において矢印Ａ２に示す時計回りに回転する。

図３において、中心付近に破線で示す円状のラインＬは、シャフト１１２が水平に維持された比較形態の製造装置によりタンク１を熱硬化させた際に、口金２７と内層繊維Ｆとの間に空隙が生じた部分である。第１点Ｐ１および第２点Ｐ２は、ラインＬ上にある点であり、第３点Ｐ３は、第１点Ｐ１と第２点Ｐ２との間であって、ラインＬ上にはない点である。図４において、横軸にタンク１の回転角度、縦軸に歪計測値を示している。また、図４において、第１点Ｐ１の歪計測結果を実線で示し、第２点Ｐ２の歪計測結果を破線で示し、第３点Ｐ３の歪計測結果を一点鎖線で示している。

図４に示すように、タンク１の回転時において、内層繊維Ｆが水平面より下側にある場合には、口金２７付近の面圧により歪計測値が引っ張りの値を示し、内層繊維Ｆが水平面より上側にある場合には、歪計測値が圧縮の値を示していることが分かる。すなわち、引っ張りと圧縮が内層繊維Ｆに繰り返し作用している。本願発明者による試験により、上記引っ張りおよび圧縮の作用により、内層繊維Ｆに含まれた樹脂の流動性が向上し、樹脂が口金２７付近や多層の繊維間に十分に拡散されるため、口金２７と、口金２７にかかるタンク最内層のヘリカル繊維Ｆとの間に空隙が生じないことが確認できた。

［効果］
上記第１実施形態の高圧タンク製造装置１００では、熱硬化工程においてタンク１が装着されて回転するシャフト１１２は、水平方向に対して重力上下方向に傾くように撓んでいる。このため、口金２６，２７付近に面圧が作用することにより、ＣＦＲＰ層の口金２６，２７上にかかる内層繊維Ｆが引き伸ばされるため、口金２６，２７と内層繊維Ｆとの間に空隙が発生することを抑制できる。

また、空隙が生じる問題は、特に全長が短く、直径が大きいタンク、すなわちアスペクト比（全長／直径）が小さいタンクで生じやすい。これは、アスペクト比が大きいタンクの場合には、金属製のセンターシャフト３１の熱膨張率は非常に大きいため、タンク１を貫通するセンターシャフト３１の長さ（＝タンク１の全長）が長いほど、センターシャフト３１の膨張でタンク全長が伸びるため、内層ヘリカル繊維が伸ばされるためである。よって、口金での繊維の張力が大きく、樹脂が十分に染み出して流動性がよくなる。このため、アスペクト比が大きいタンクの場合には、口金と、口金にかかるタンク最内層のヘリカル繊維との間において空隙が生じにくい。

しかし、上記第１実施形態で例示したように、アスペクト比が小さいタンク１では、内部を貫通するセンターシャフト３１の長さも短いため、シャフト１１２が水平に維持された比較形態の製造装置により製造した場合には、内層繊維Ｆの伸び量は非常に小さい。この点、上記第１実施形態の高圧タンク製造装置１００によれば、上記第１実施形態で例示したアスペクト比が小さいタンク１においても、口金２６，２７の表面の繊維Ｆに張力が大きく作用し、樹脂の流動性を向上させることができ、空隙の発生を効果的に抑制できる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記第１実施形態の高圧タンク製造装置１００では、タンク１の自重によってシャフト１１２が自然に撓むことにより、シャフト１１２が水平方向に対して傾く構成を実現したが、タンク１をシャフト１１２に装着する前、または装着後に、意図的にシャフト１１２を撓ませてもよい。

（Ｂ２）また、直線状のシャフト１１２の長手方向の一端側を、単に下側に傾けた構成とし、タンク１の重力を利用した引っ張りが繊維Ｆに作用するようにしてもよい。つまり、シャフト１１２が水平方向に対して傾いていることで、タンク１の回転時において、口金２６，２７の周囲の内層繊維Ｆに引張力を作用させることにより、上記効果を奏することができる構成であればよい。

（Ｂ３）また、タンク１の両端の口金が、共にバルブが設置される仕様の口金として構成されるタンクの場合には、シャフト１１２は、支点Ｓ１，Ｓ２となる両端に亘って連続した単一部材にて構成し、センターシャフト３１に代えてタンク１の内部空間３０を貫通する形態としてもよい。このように、シャフト１１２のタンク１への固定については、タンク１の仕様によって適宜変更可能である。

本開示は、上記各実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する各実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…高圧タンク、２１…シリンダ部、２２，２３…ドーム部、２４…ライナ、２５…補強層（繊維強化樹脂層）、２６…バルブ側口金、２７…エンド側口金、２８…貫通孔、２９…有底孔、３０…内部空間、１００…製造装置、１１０…架台、１１２…シャフト、１１４…放熱ヒーター（加熱装置）、１１６…チャック、１１８…回転機構部

Claims (1)

1. ライナと、口金と、を有し、前記ライナの外側に熱硬化性樹脂を含浸して熱硬化した繊維強化樹脂層が配置される高圧タンクの製造に用いる高圧タンク製造装置であって、
   前記ライナの外側に熱硬化前の前記繊維強化樹脂層が配置された前記高圧タンクの中間生成品であるタンクを、前記口金を介して支持するシャフトと、
   前記タンクの熱硬化時において、前記シャフトを回転させるための回転機構部と、
   前記タンクの熱硬化時において、前記シャフトに装着された前記タンクを加熱するための加熱装置と、
   を備え、
   前記回転機構部による前記タンクの回転時において、前記シャフトは、水平方向に対して重力上下方向に傾いて配置されている、高圧タンク製造装置。

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